清华大学药学院：糖代谢与抗肿瘤治疗

引用本文：王欣, 王戈林. 糖代谢与抗肿瘤治疗[J]. 中国医学前沿杂志（电子版）, 2019, 11(2): 43-50.
作者单位：清华大学药学院，清华大学生命科学联合中心，北京市结构生物学高精尖创新中心
基金项目：中国博士后科学基金面上项目（2018M630171）


肿瘤代谢（包括葡萄糖代谢）曾经并未受到重视，直至近20年，肿瘤代谢异常开始被大家认识并深入研究。"肿瘤是一种代谢性疾病"已逐渐成为一种共识。目前，肿瘤代谢尤其是葡萄糖代谢紊乱已经成为了公认的肿瘤十大特征之一[1]，也是抗肿瘤研究的重要靶点。19世纪20年代，科学家Otto Warburg发现，即便在氧气充足的情况下，肿瘤细胞依然倾向于将葡萄糖代谢为乳酸（有氧糖酵解），这被称为"Warburg效应"[2]。20世纪80年代，随着氟化去氧葡萄糖正电子摄影断层扫描（FDG-PET）技术的应用，临床组织样本的葡萄糖摄取量可被检测成像，科学家已经在几乎所有肿瘤中证实了Warburg效应的存在。
肿瘤细胞有氧糖酵解能力是正常细胞的20 ～ 30倍，糖酵解的增强与肿瘤的生长速度成正比，且与肿瘤侵袭转移密切相关。糖酵解为肿瘤细胞存活提供了大量能量，同时也为其他代谢途径提供了中间产物，包括三羧酸循环、磷酸戊糖途径、己糖胺途径、糖原合成、丝氨酸生物合成途径及一碳糖代谢循环等。本文将综述肿瘤中的糖代谢重编程及选择性靶向各个异常环节的抗肿瘤治疗研究进展。
1　肿瘤中葡萄糖代谢重编程
1.1　葡萄糖转运　肿瘤细胞糖酵解需要大量摄入葡萄糖，水溶性葡萄糖借助葡萄糖转运体（GLUT）通过磷脂双分子层进入细胞质。目前已发现14个不同基因编码的亚型，不同亚型的转运酶与葡萄糖和其他己糖亲和力不同，选择性转运不同糖分子。其中GLUT 1 ～ 4是最为熟知的4个亚型，GLUT1、GLUT2（SLC2A2）、GLUT3（SLC2A3）及GLUT4（SLC2A4）具有截然不同的调控机制和动力学特征，在维持细胞及机体葡萄糖稳态中各自发挥特定功能[3]。GLUT1与葡萄糖高度亲和，在肺癌、前列腺癌、肾癌及淋巴瘤等多种肿瘤中高表达，肿瘤细胞同时表达GLUT2和GLUT3。多发性骨髓瘤主要表达GLUT4，负责维持足够的葡萄糖摄入[4,5]。由于葡萄糖消耗迅速，果糖和甘露糖等代偿性己糖在肿瘤中的摄入也显著增加，淋巴瘤中GLUT5特异性转运果糖[6]，甘露糖则与葡萄糖共用转运酶[7]（图1）。


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1.2　有氧糖酵解代谢酶　经典的糖酵解过程包含众多可逆性酶活反应和3个不可逆酶活反应，即限速步骤（图1）。第一个限速酶是己糖激酶（hexo-kinase，HK），其可催化葡萄糖转化为葡萄糖-6-磷酸，这是葡萄糖代谢过程最为重要的反应。首先，葡萄糖-6-磷酸并非葡萄糖转运酶的底物，可避免被运出胞外，在胞内得到积累。其次，葡萄糖-6-磷酸是糖酵解、磷酸戊糖途径、己糖胺途径及糖原合成过程的关键中间产物。
在肿瘤细胞中，葡萄糖代谢的第一个限速步骤即发生异常，相比正常细胞，肿瘤细胞葡萄糖摄入量增加且HK2的表达显著上调[8]。哺乳动物细胞中HK包含5个亚型，HK1、HK2、HK3、HK4及HKDC1，HK 1 ～ 3均为高亲和力的HK，HK1和HK2可特异性地以电压依赖负离子通道依赖的方式结合线粒体[9]。自身催化产物葡萄糖-6-磷酸可反馈性抑制HK1、HK2及HK3活性，且葡萄糖-6-磷酸可诱导HK1和HK2构象变化，使其与线粒体分离。通过结合线粒体外膜和电压依赖的负离子通道，HK1和HK2优先利用线粒体来源的ATP去磷酸化葡萄糖，从而连接氧化磷酸化和糖酵解。HK1在众多器官中广泛表达，HK2主要在骨骼肌、心脏及脂肪组织中高表达。在肿瘤细胞中，HK2表达显著上调，促进葡萄糖的摄入及参与多种代谢途径[10]。
糖酵解过程的第二个限速酶是磷酸果糖激酶1（phosphofructokinase 1，PFK1），其可催化果糖-6-磷酸生成果糖-1，6-二磷酸。第三个限速步骤是丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK），其可催化磷酸烯醇式丙酮酸去磷酸化，生成烯醇式丙酮酸。前两个限速步骤酶反应消耗ATP，而第三个酶反应产生ATP。肿瘤细胞通过多种作用机制增加糖酵解中葡萄糖的摄入，但却抑制第三个酶反应中ATP和丙酮酸的生成。在哺乳动物细胞中，PK主要有4种亚型：PKM1、PKM2、PKR及PKL，在肿瘤细胞中主要是低亲和力的PKM2发挥功能。肿瘤细胞中PKM2的活性变弱提示有将磷酸烯醇式丙酮酸转化为丙酮酸的其他途径存在，其中可能的调控机制之一是磷酸甘油酸变位酶1（phosphoglyceromutase 1，PGAM1）在糖酵解过程中将3-磷酸甘油酸转化为2-磷酸甘油酸。研究发现磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸基团可转移到PGAM1的催化组蛋白上，而将磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenolpyruvic acid，PEP）转化为丙酮酸[11]。
第三步限速酶反应的减弱导致代谢物进入戊糖磷酸途径和丝氨酸合成等旁路途径以生成足够的代谢中间产物维持细胞存活和增殖。虽然磷酸烯醇式丙酮酸向丙酮酸的转化变弱，但丙酮酸转化为乳酸的活性显著增强，且绝大部分乳酸都被分泌至细胞外。丙酮酸向乳酸的转化增强，而丙酮酸的生成却被抑制，看似矛盾，实则是为了生成更多的氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（oxidized nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+），并维持旁路流量。催化丙酮酸与乳酸可逆性转化的激酶是乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase，LDH），由4个独立基因编码（LDHA、LDHB、LDHC、LDHD）。LDHA和LDHB在肿瘤中高表达[12]，前者与丙酮酸亲和力更强，主要催化生成丙酮酸的反应；后者与乳酸亲和力更强，主要催化生成乳酸的反应，在肿瘤中占主导地位的亚型是LDHA。由于LDH催化的反应是可逆的，所以需要单羧酸转运蛋白（monocarboxylate transporter，MCT）及时将乳酸排出胞外以推动反应的进行并避免胞内形成强酸环境[13]。乳酸能够抑制PFK1的活性，因此肿瘤细胞需要将乳酸分泌至胞外以免大量积累而影响第二个限速反应的进行。分泌至胞外的乳酸形成局部酸性微环境，通过上调胞外血管内皮生长因子A（vascular endothelial growth factor A，VEGFA）和蛋白酶的活性而促进肿瘤侵袭转移。同时，胞外的乳酸可被癌旁基质细胞吸收用于代谢底物产生丙酮酸并为肿瘤细胞所用[14,15]。在低葡萄糖水平条件下，肿瘤细胞能够利用胞外乳酸和丙酮酸维持三羧酸循环，为脂肪酸的合成提供柠檬酸和乙酰辅酶A。
在肿瘤细胞中，LDHA催化丙酮酸向乳酸的代谢流增强，此反应中还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（reduced nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）生成NAD+[16]。糖酵解过程中，NAD+由NADH转化而来，并维持高流量的葡萄糖代谢。NAD+作为甘油醛-3-磷酸脱氢酶的辅酶将G3P转化为1，3-二磷酸甘油醛。进而使磷酸甘油酸激酶1（phosphogl-ycerate kinase 1，PGK1）催化1，3-二磷酸甘油醛为3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate，3PG）并生成ATP，3PG不仅用于磷酸烯醇式丙酮酸的合成，同时还被NAD+氧化为丝氨酸的生物合成前体。
如果PKM2催化的PEP向丙酮酸转化促进丝氨酸生物合成，这一过程将需要更多的NAD+，相应会生成更多NADH，这就部分解释了在PEP向丙酮酸转化处于低代谢流的情况下丙酮酸向乳酸的转化大量增加（该反应生成NAD+）。值得一提的是，尽管PEP向丙酮酸的转化率很低，肿瘤细胞依然有足够的丙酮酸进入线粒体，维持内源性谷氨酰胺催化的三羧酸循环。
1.3　三羧酸循环中异柠檬酸脱氢酶　异柠檬酸脱氢酶家族包含3个亚型，即IDH 1 ～ 3，可将异柠檬酸经氧化脱羧化转化为α-酮戊二酸（α-ketoglutaric acid，α-KG），α-KG是三羧酸循环中的关键酶（图1）。IDH1定位于细胞质和过氧化物酶体中，IDH2和IDH3主要定位于线粒体。IDH1和IDH2活性形式为同源二聚体，消耗氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（oxidized nicotinamide adenine dinucleotide phos-p hate，NADP+）。IDH3以异源四聚体存在，包含两个α亚基、一个β亚基和一个γ亚基，在有氧呼吸最重要的代谢途径三羧酸循环中发挥关键作用，IDH3可还原NAD+为NADH以提供能量供应。IDH1和IDH2还参与磷酸戊糖途径等还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（reduced nicotinamide adenine dinucl eotide pho-s phate，NADPH）生成的重要通路。NADPH作为还原性因子可保护细胞在谷胱甘肽和硫氧环蛋白还原过程中不受氧化损伤。
肿瘤细胞中IDH1/IDH2突变导致其失去原有的催化异柠檬酸氧化脱羧生成α-KG的活性，同时重新获得可以催化α-KG还原为2-羟基戊二酸（2-hydr-oxyglutarate，2-HG）的能力，2-HG利用其与α-KG的结构相似来结合并抑制原本结合α-KG来发挥活性的双加氧酶，导致氧化还原状态被打破，引起DNA损伤和基因稳定性变差，促进肿瘤进展[17-20]。
2　肿瘤中的葡萄糖代谢治疗
根据前文所述，葡萄糖代谢重编程使肿瘤细胞完全区别于正常细胞，理论上直接靶向异常的代谢酶即可有效抗肿瘤。但事情并不简单，因为肿瘤中葡萄糖代谢所用到的代谢酶绝大部分与正常细胞相同，因此为避免不良反应，我们只能将目光聚焦于肿瘤细胞更偏好的代谢反应和相应代谢酶。
糖酵解反应的上调需要肿瘤细胞摄入大量葡萄糖；同样，由于葡萄糖的消耗量巨大，导致一些代偿糖类摄入增加，如果糖和甘露糖等。因此，阻断肿瘤生长的第一步应着眼于切断转运途径，即抑制转运酶活性。
2.1　靶向葡萄糖转运酶
2.1.1　葡萄糖转运酶1　肿瘤细胞中癌基因KRAS和BRAF维持其活性需要高表达GLUT1，葡萄糖缺乏会诱导KRAS和BRAF发生突变。GLUT1抑制剂在体外能够选择性杀伤肿瘤细胞[21]，但由于GLUT1在众多正常哺乳动物细胞中广泛表达，因此限制了这些药物的临床应用。
葡萄糖类似物2-脱氧-D-葡萄糖（2-deoxy-D-glu-cose，2-DG）可竞争性地抑制GLUT1和HK介导的磷酸化，其产生的6-磷酸-2-脱氧-D-葡萄糖（2-deoxy-D-glucose-6-phosphate，2DG-6P）不同于正常的葡萄糖-6-磷酸（glucose 6-phosphate，G6P），其可聚集在细胞内无法被代谢利用，且半衰期长达50 min。2DG-6P通过竞争性抑制葡萄糖异构酶抑制G6P向果糖-6-磷酸（fructose 6-phosphate，F6P）转化，将糖酵解阻断于起始阶段[22]。临床上2-DG可逆转急性淋巴细胞白血病（acute lymphocytic leukemia，ALL）细胞对泼尼松龙的耐药性，2-DG与抗凋亡的髓系白血病细胞分化蛋白的抑制剂联合用药可协同克服ALL对泼尼松龙的耐药。靶向GLUT1的抑制剂见表1。


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2.1.2　葡萄糖转运酶5　急性髓系白血病细胞中糖酵解活动的增强极大地增加了葡萄糖的消耗，导致骨髓中葡萄糖缺乏，Tiziani等[33]发现骨髓中葡萄糖的浓度显著低于外周血中的浓度，这提示肿瘤细胞可能存在代偿途径来适应低葡萄糖环境。果糖是第二大丰度的血糖，生理状态下浓度为0.5 ～ 1.0 mmol/L。研究发现急性髓系白血病（acute myeloid leukemia，AML）细胞中低葡萄糖情况下果糖的摄入显著增多，主要是由于GLUT5（SLC2A5）表达上调，GLUT5可特异性地转运果糖[6]。高亲和GLUT5的果糖类似物2，5-anhydro-D-maaitol（2，5-AM）能够阻断果糖摄入导致的AML生长，并且增强化疗敏感性[6]。
2.1.3　甘露糖竞争其转运酶　磷酸甘露糖异构酶（phos phomannose isomerase，PMI）可逆地催化甘露糖-6-磷酸与果糖-6-磷酸的转化。研究发现，在PMI活性低的肿瘤中甘露糖可阻断甘露糖-6-磷酸向果糖-6-磷酸的转化，进一步抑制糖酵解过程，阻断肿瘤生长，甘露糖可与化疗药物阿糖胞苷协同增强抗肿瘤效果[7]。
2.2　靶向糖酵解限速酶
2.2.1　HK2　肿瘤细胞中的高HK活性主要源于HK2的诱导表达[34]。HK2在正常成体细胞中几乎不表达，因此对其进行系统敲除可选择性地靶向肿瘤细胞，且科学家发现，种系敲除HK2会导致胚胎死亡，但系统性敲除成年鼠HK2并不影响其存活。研究发现敲除HK2可抑制小鼠模型中肿瘤的发展，更重要的是并不会代偿性激活HK1的表达[8]。多项研究均表明系统性抑制HK2可安全有效地阻断肿瘤生长[35]，但由于HK1和HK2的结构高度相似，研发特异性的小分子抑制剂仍存在很大挑战。
2.2.2　磷酸果糖激酶1　PFK1是糖酵解中的关键激酶，调控第二个限速反应。2，6-二磷酸果糖（fructose 2，6-bisphosphate，F2，6BP）是PFK1的变构激活剂，其来源于兼具激酶活性和磷酸酶活性的果糖2，6-二磷酸酶（fructose-2，6-biphosphatase，PFKFB）4，且F2，6BP的水平取决于激酶和磷酸酶的相对活性。因此，抑制PFKFB4的激酶活性同时保持其磷酸酶活性，即可通过降低F2，6BP水平而抑制PFK1的活性。PFKFB3在肿瘤细胞中高表达，且其激酶活性强于磷酸酶活性，因此选择性抑制PFKFB3即可阻断肿瘤的生长[36]（表1）。通过PFKFB抑制剂抑制PFK1的活性能够促进磷酸戊糖途径代谢流增强同时提高细胞内G6P的水平，从而抑制HK活性。
2.3　靶向乳酸生成及外排　近期研究发现，糖酵解第三个限速反应中PKM2活性低对肿瘤进展更有利，所以PKM2的抑制剂还是激活剂治疗肿瘤更有效并不清楚。最终科学家将目光转向了乳酸的代谢，LDHA抑制剂能够降低NAD+水平从而抑制糖酵解[12,37]。MCT1和MCT4抑制剂可阻断乳酸外排。这些抑制剂可使细胞内乳酸重新转化为丙酮酸，降低NAD+水平，但当细胞内pH低于低限值后将导致细胞毒性。
有氧糖酵解对肿瘤细胞生长至关重要，抑制LDHA可抑制Warburg效应（表1），迫使肿瘤细胞恢复氧化磷酸化的葡萄糖代谢方式，氧化NADH，产生ATP供能，细胞由于呼吸竞争导致生长抑制。研究发现靶向丙酮酸脱氢酶激酶的小分子抑制剂二氯乙酸可显著抑制肿瘤细胞存活及体内肿瘤生长[38]。目前已开展了抗肿瘤治疗的多项临床试验[39,40]（表1）。2.4　靶向三羧酸循环中异柠檬酸脱氢酶　IDH1/2突变促进了淋巴瘤、胶质瘤等多种肿瘤的发展，靶向突变IDH1的Ivosidenib和靶向IDH2的恩西地平已于2017年和2018年分别被批准上市，并用于急性髓系白血病的治疗[17-20]。并有其他化合物IDH305和AG-881等正在开展针对胶质瘤的临床试验[41]（表1）。
3　总结
肿瘤细胞中葡萄糖代谢重编程导致异常表达的代谢酶成为了抗肿瘤治疗的靶点。目前，小分子抑制剂研发过程中的难题之一是多个代谢酶均存在不同亚型，且由于不同亚型结构高度相似，导致药物选择性不佳，存在潜在的不良反应。另外，靶向药物可能导致肿瘤中其他亚型代偿性激活，从而降低药效。
靶向葡萄糖代谢途径的药物处理后代偿性地引起肿瘤细胞中其他营养物质的代谢增强，例如，在多种肿瘤细胞中，糖酵解被抑制后，氧化还原反应水平显著升高。因此，将糖酵解和氧化磷酸化抑制剂联合使用可解决该问题。目前最有效的是与Metformin的联合用药，Metformin可抑制线粒体复合物Ⅰ。
为避免糖酵解抑制剂产生获得性耐药，可与临床获批的治疗方案联合用药，例如作为免疫治疗的二线用药。Ho等[42]发现肿瘤微环境中肿瘤浸润T细胞与肿瘤细胞的代谢存在竞争，降低肿瘤微环境中的葡萄糖含量可抑制浸润性T细胞对肿瘤细胞的响应。另外，T细胞表面表达程序性死亡蛋白-1（programmed death-1，PD-1），肿瘤细胞表面表达其配体程序性死亡蛋白配体-1（programmed death ligand-1，PD-L1），可逃离T细胞免疫监视。因此，将PD-1或PD-L1抗体与糖代谢抑制剂联合使用是具有发展前景的治疗方案。
综上，随着对葡萄糖代谢重编程认识的深入，涌现出了大量靶向葡萄糖代谢酶的抑制剂，但目前仍存在代偿途径激活、耐药等问题亟待解决。
参考文献（略）

好复杂，谢谢分享

希望楼主在肿瘤治疗方面的关注不要停下，楼主在这方面的积累很丰富。